Анализ построения схем синфазной обратной связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ построения схем синфазной обратной связи

А.В. Косых, В.Ю. Шеин, Ж..Б. Садыков, В. Ерохин

Аннотация

Высокоскоростные устройства обработки информации предъявляют высокие требования к уровню шумов и помех входных сигналов, которые повышаются вследствие нестабильности питающего напряжения, изменения температуры окружающей среды, а также наводок.

Проблема решается путем использования полностью дифференциальных операционных усилителей. Уровень синфазного напряжения на выходе усилителя может значительно колебаться под влиянием различных факторов. Для поддержания требуемого уровня постоянного напряжения на выходах операционного усилителя применяется синфазная обратная связь. В статье рассматриваются различные варианты построения схем синфазной обратной связи и анализируются их параметры

Ключевые слова - синфазная обратная связь, переключаемые конденсаторы, дифференциальная пара, дифференциальный операционный усилитель, постоянная составляющая.

Введение

Одна из основных особенностей дифференциального усилителя наличие синфазной обратной связи.

Принцип работы синфазной обратной связи заключается в сравнении суммирующихся, на внутренней RC-цепи, потенциалов с выходов outP и outN с опорным напряжением Vbias, посредством усилителя ошибки, с последующим поддержанием на постоянном уровне синфазного напряжения. Потенциалы на обоих выходах дифференциального усилителя должны быть симметричны друг другу относительно уровня синфазной составляющей.

Действие внутреннего контура обратной связи приводит к тому, что разность напряжений на входе усилителя ошибки стремится к нулю, то есть:

На рис. 1 показана схема синфазной обратной связи с непрерывным регулированием. операционный усилитель высокоскоростной информация

Схема синфазной обратной связи с непрерывным регулированием представляет собой дифференциальный каскад нагруженный токовым зеркалом. Тип проводимости транзисторов дифференциальной пары выбирается исходя из приложенного напряжения ко входу. Для входных напряжений близких к нулю применяется P-канальные транзисторы, а для напряжений близких к напряжению питания N-канальные.

В случае отклонения входного напряжения в усилителе ошибки, через транзистор М4 потечет ток в токовое зеркало и скорректирует напряжение на управляющем выводе синфазной обратной связи таким образом, синфазное напряжение выходов усилителя возвратится в исходное состояние с точностью, обратно пропорциональной коэффициенту усиления в петле синфазной обратной связи. Максимальный диапазон входных сигналов для схемы синфазной обратной связи достигается тогда, когда обратная связь с выходами полностью дифференциального операционного усилителя (ОУ) обеспечивается пассивными компонентами. Резисторы могут быть высокоомными и нужны лишь для подачи на вход синфазной обратной связи медленно меняющегося среднего потенциала между выходами ОУ и предотвращения плавающего состояния на входе синфазной обратной связи.

Рис. 1 - Синфазная обратная связь с непрерывным регулированием

Недостатком применения пассивных компонентов в качестве сумматора является то, что скорость передачи изменений выходных напряжений на вход синфазной обратной связи через конденсаторы C1 и C2 максимальна, хотя на затвор транзистора М4 переменная составляющая попадает с некоторым ослаблением, определяемым RC-фильтром.

Несмотря на принципиальную возможность использования очень высокоомных резисторов, их сопротивление все же меньше выходного сопротивления ОУ, поэтому такая схема синфазной обратной связи подходит только для многокаскадных усилителей, где величина коэффициента усиления в основном определяется предыдущими каскадами, а крутизна входного транзистора последнего каскада всегда достаточно велика. При этом наилучшее быстродействие по синфазному сигналу получается при использовании в каждом каскаде своей отдельной схемы синфазной обратной связи.

Постановка задачи

Схема синфазной обратной связи должна удовлетворять следующим условиям:

- обеспечивать синфазную обратную связь с требуемой точностью во всем диапазоне выходного сигнала.

- иметь быстродействие, т.е. скорость изменения выходного напряжения в режиме большого сигнала и частоту единичного усиления в режиме малого сигнала во многих случаях не худшие, чем для дифференциального сигнала.

- обеспечивать минимальную дополнительную емкостную нагрузку на выходные узлы.

Теория

Проанализируем искажения выходного сигнала вызванные нелинейностью схемы синфазной обратной связи. Рассмотрим три варианта построения синфазной обратной связи с непрерывным регулированием. На рис.2 показана простая схема с применением одной дифференциальной пары. На рис.3 показан усложненный вариант с применением двух дифференциальных пар работающих на общую нагрузку. В схеме показанной на рис.4 транзисторы М4 и М5 являются частью выходного каскада усилителя, а транзистор М6 является частью схемы смещения. Транзистор М3 используется для задания опорного напряжения V_cm. Входные транзисторы имеют большие размеры, что создает дополнительную паразитную входную емкость. Учитывая то, что входные транзисторы М1 и М2 встраиваются в выходной каскад усилителя, то потребляемая мощность практически равна нулю.

Рис. 2. Схема синфазной обратной связи на основе дифференциальной пары

Рис. 3. Схема синфазной обратной связи на основе двух дифференциальных пар

Предположим, что начальные напряжения на выходных узлах равны нулю. Тогда для схемы на рис.2, когда V₀₊=V_0-=0

(1)

где k - параметр крутизны, V_S0 - постоянная составляющая упрвляющего напряжения V_S, V_T -напряжение на подложке

Предположим, что для чистого выходного напряжения (V₀₊=-V_0-?0) V_S имеет небольшое измение Д V_S, тогда V_gs1 и V_gs2 равны:

(2)

(3)

Согласно (2) и (3) I_d1 и I_d2 равны:

(4)

(5)

Учитывая, что I_d1+I_d2=2I_dd из (1), ДV_s решается из (4) и (5)

(6)

Рис. 4. Схема синфазной обратной связи с использованием транзисторов выходного каскада

Из (6) видно, что для схемы на рис.2, ДV_s=0 при V₀₊=0. Но когда чистое выходное напряжение (V₀₊=-V_0-?0), ДV_s?0. Когда это изменение V_S подается обратно на усилитель для изменения выходного напряжения, последнее становится ассиметричным: Простой способ рассмотреть нелинейные искажения для сигнала состоит в определении соотношения между V₀₊ и V_0- при ДV_s=0. Тогда соотношения, полученные между V₀₊ и V_0-, будут мерой искажения.

Если V₀₊ ?0 и V_0-?0, и V_s= V_s0 считать постоянными, то V_gs1 и V_gs2 выражаются:

(7)

(8)

Определяя

(9)

(10)

Из (1), (9) и (10) можно выразить соотношение V₀₊ и -V_0-

(11)

Таким образом V₀₊?-V_0- это означает, что схема синфазной обратной связи заставляет выходные напряжения стать ассиметричными, причем асимметрия является зависящей от отношения r=|V₀₊/[2(-V_s0-V_T)]|. Если r<<1, V₀₊?-V_0-, ситуация достигается выбором большего V_s0. Из (6) также видно, что ДV_s?0 если r<<1.

Применение этого же анализа к схеме показанной на рис.3 показывает, что V₀₊=-V_0- то есть отсутствуют искажения. В [1] было указано, что результаты моделирования показывают, что схема на рис.3 имеет лучшую линейность, а схема на рис.4 наихудшую.

Очень распространен вариант схемы синфазной обратной связи с дискретным регулированием на базе переключаемых конденсаторов без использования в ней дифкаскада рис.5. Такая схема очень популярна в высокочастотных усилителях, используемых в в АЦП, фильтрах, УД модуляторах содержащих узлы на переключаемых конденсаторах. В качестве ключей используются как обычные КМОП аналоговые переключатели, так и специальные схемы с вольтдобавкой, в которых управляющее напряжение на затворах ключевых МОП транзисторов может превышать напряжение питания.

Рис. 5. Синфазная обратная связь на переключаемых конденсаторах

Схема подключается к выходам дифференциального усилителя. Два других входа -- опорное напряжение V_bias, соответствующее нужному уровню выходного синфазного сигнала, и напряжение V_adj -- величина смещения управляемых каскадов, при которой этот уровень достигается. Выход схемы V_cnt -- контролирующее напряжение.

Переключаемые конденсаторы С0 и С1 доставляют на конденсаторы С2 и С3 заряд, создающий на конденсаторах синфазной обратной связи напряжение, равное половине питания минус потенциал V_adj. Потенциал V_cnt объединенных нижних обкладок C2 и C3 в каждом такте передается затворы ОУ, поэтому после некоторого количества тактов напряжение на C0 и C1, возникающее на них после подключения к потенциалу V_adj и к общей шине, установится на C2 и C3, станет неким синфазным опорным напряжением внутри ОУ, равным и будет поддерживаться за счет «подпитки» в каждом такте конденсаторами C0 и C1.

Таким образом, цепь ОС формирует контролирующее напряжение V_cnt пропорциональное разности между выходным синфазным сигналом и установленным опорным уровнем этого сигнала. Поскольку сигнал ОС, управляющий регулируемыми каскадами, находится в фазе с выходным синфазным напряжением, он должен подаваться в точку, путь от которой к выходу усилителя образует для синфазного сигнала инвертирующий тракт.

Результаты моделирования

Результаты моделирования, отражающие ошибку в установлении выходного синфазного напряжения, показаны на рис.6. Схема, приведенная на рис.3 показывает наилучшую точность. Максимальное отклонение выходного напряжения от опорного составляет 16 мВ. Схема на рис.4 показывает наибольшее отклонение, равное 46 мВ. Схемы на рис.2 и рис.5 показывают результаты средней точности поддержания напряжения 24мВ и 27,5мВ соответственно.

Результаты анализа нелинейных искажений показано на рис.7. Схема, показанная на рис. 3 вносит наименьшее количество искажений. Коэффициент нелинейных искажений схем приведенных на рис.2…5 составляет 0,61%, 0,157%, 0,9%, 0,74% соответственно.

В результате проведенного анализа в высокоскоростных устройствах обработки информации, особенно если в составе блока применяются схемы на переключаемых конденсаторах, рекомендуется применять схему, показанную на рис.5, В схемах, где предъявляются высокие требования к потребляемой мощности, следует применить схему с непрерывным регулированием с одной дифференциальной парой. В системах с повышенной точностью рекомендуется применять схему, показанную на рис.3.

Рис.6. Зависимость ошибки установления выходного синфазного напряжения от опорного напряжения

Рис.7. Зависимость коэффициента нелинейных искажений от опорного напряжения.

Результаты анализасхем синфазной обратноой связи с непрерывным регулированием обобщеныв таблице 1.

ТАБЛИЦА 1

СРАВЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ СТРУКТУР ПОСТРОЕНИЯ СИНФАЗНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ С НЕПРЕРЫВНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

Выводы и заключение

Главным недостатком схемы с двумя дифференциальными парами является малая амплитуда выходного сигнала, а так же повышенное энергопотребление. Для схемы, использующей транзисторы выходного каскада операционного усилителя, характерны высокие паразитные емкости, которые могут повлиять на частотные характеристики разрабатываемого блока в целом.

Достоинство схемы на переключаемых конденсаторах перед схемой с непрерывным регулированием заключается в отсутствии дополнительного полюса, что обеспечивает большую устойчивость операционного усилителя. Кроме того, схема не снижает коэффициент усиления ОУ, так как в ней отсутствует резистивный сумматор.

Список литературы

1. VanPeteghem P., Duque-Carrillo J. "A General Description of Common-Mode Feedback in Fully-Differential Amplifier," Proc. IEEE ISCAS, 1990, pp. 3209 - 3212.

2. Баринов, В.В. Телекоммуникационные системы на кристалле: Основы схемотехники КМДП аналоговых ИМС - Учебное пособие под ред. д.т.н., проф. Баринова В.В.

3. Razavi. B. Design of analog CMOS integrated circuits.//McGraw-Hill, 2001. -675с. -ISBN 0-07-238032-2.

4 Mallya S . M., Nevin J. H. "Design Procedures for a Fully Differential Folded-Cascode CMOS Operational Amplifier," IEEE J. of Solid-state Circuits, Vol. SC-24, No. 6, pp. 1731-1740, Dec. 1989.

5. Эннс В.И., Кобзарев Ю.М. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем. Краткий справочник разработчика/ - Под редакцией канд. техн. наук В.И. Эннса. - М.: Горячаяя лииия-Телеком. - 2005г. - C. 454.: ил.

Размещено на Allbest.ru